Эксперт по сдаче вступительных испытаний в ВУЗах
Изучение работы ПолупроводниковОго выпрямителя
Введение
Выпрямителем называется устройство, сопротивление которого зависит как от величины, так и от направления приложенного к нему напряжения, что позволяет использовать его для преобразования переменного тока в постоянный. Наиболее распространенными являются германиевые, кремниевые, селеновые и медно-закисные выпрямители. Два последних типа относятся к категории так называемых полупроводниковых вентилей.
Свойства контакта двух полупроводников. Известно, что в полупроводниках возможны два различных механизма электропроводности – электронный и дырочный. Если концентрация электронов в полупроводнике больше концентрации дырок в нем, то такой полупроводник обладает электронной проводимостью и называется полупроводником
n–типа. Если преобладает концентрация дырок, то такой полупроводник называется полупроводником
р–типа.
Рассмотрим процессы, происходящие на границе двух полупроводников с разными типами проводимости, так называемом
р-n–переходе. Так как концентрация свободных электронов в
n—области больше, чем в
р-области, то электроны диффундируют через контакт в
р-область. В обратном направлении диффундируют дырки.
Попадая в область с противоположной проводимостью, электроны рекомбинируют (взаимно нейтрализуются) с дырками, и вблизи контакта наблюдается уменьшение концентрации свободных электронов и дырок, то есть увеличение электрического сопротивления контакта.
Из-за ухода части электронов из приконтактной области электронного полупроводника в дырочную вблизи границы
n—области накапливается нескомпенсированный положительный заряд, вблизи границ
р-области за счет ухода дырок – отрицательный.
Возникающая между двумя областями разность потенциалов U
о (рис.31.1) препятствует дальнейшей диффузии через границу
основных носителей тока, то есть электронов из
n—области и дырок из
р-области.
|
Теперь для перехода эти носители тока должны обладать дополнительной энергией е·Uо, чтобы преодолеть так называемый потенциальный барьер, созданный на границе встречным электрическим полем.
В то же время это поле способствует движению через переход неосновных |
Рис.31.1
|
носителей: электронов из
р–области и дырок из
n—области.
Если теперь выпрямитель включить в электрическую цепь так, что внешнее поле будет направлено против поля на
р–
n—переходе (рис.31.2, а), то высота потенциального барьера уменьшится на величину 2е·U
о, где 2U = U
вн – напряжение от внешнего источника (потенциальный барьер при отсутствии внешнего поля обозначен пунктиром).
При этом дырки и электроны под действием внешнего поля начнут двигаться к контакту. Следовательно, граничный слой обогащается носителями заряда, его сопротивление уменьшается, и в цепи потечет ток основных носителей I
о. Такое включение называется
прямым или
пропускным.
Если же направление внешнего электрического поля совпадает с направлением поля на границе двух областей (такое включение называется
обратным или
запирающим), то высота потенциального барьера возрастает на величину 2е·U (рис.31.2, б).
Дырки и электроны оттягиваются полем из области
р–
n–перехода, и его сопротивление увеличивается. Число носителей тока, имеющих энергию
очень мало, и ток основных носителей практически равен нулю. Через
р-n—переход идет только малый ток неосновных носителей.
Типичная зависимость тока в выпрямителе от приложенного к нему напряжения изображена на рис.31.3.
| Рис.31.3 |
График показывает нелинейную зависимость тока от напряжения, как в прямом, так и в обратном направлениях, а также несимметричность характеристики относительно напряжения. |
Ток в прямом направлении многократно превышает ток в обратном.
Свойства выпрямителя часто характеризуются коэффициентом выпрямления, то есть отношением прямого тока
I+ к обратному
I–, измеренных при одинаковых по величине напряжениях
k =
I+ /
I–.
Порядок выполнения работы
В данной работе требуется:
1) Снять вольт-амперную характеристику выпрямителя ;
2) Определить зависимость коэффициента выпрямления от величины приложенного напряжения;
3) Установить зависимость сопротивления выпрямителя от напряжения.
На рис.31.4 представлена схема установки для снятия характеристик выпрямителя.
Следует:
1) Включить переключатели Р
1 и Р
2 в положение «I–I» (обратное направление);
|
2) Замкнуть ключ К и с помощью реостата R, включенного как делитель напряжения, установить через выпрямитель максимальный ток в обратном направлении. Подождать 3–5 мин, пока стрел- |
| Рис.31.4 |
ка микроамперметра не установится стабильно на каком-либо делении;
3) Уменьшая напряжение до нуля, записывать показания микроамперметра;
4) Переменить направление тока через выпрямитель: Р
1 и Р
2 включить в положение «2–2», то есть в прямом направлении, увеличивая напряжение, записать показания миллиамперметра, измеряющего прямой ток
I+;
5) Разомкнуть ключ К.
Обработка результатов измерений
Результаты измерений и вычислений удобно свести в таблицу.
| U, В |
I+, мА |
I–, мкА |
K |
R+, Ом |
R–, кОм |
| |
|
|
|
|
|
Используя эти данные, следует:
1) Построить вольт-амперную характеристику выпрямителя, то есть зависимость . Характеристики для прямого и обратного направления построить на одном графике (см. рис.31.3), причем прямой ток и напряжение считать положительными, обратный ток и обратное напряжение – отрицательными;
2) Вычислить коэффициент выпрямления K с помощью вольт-амперной характеристики и построить график ;
3) Пользуясь законом Ома, вычислить сопротивление выпрямителя в прямом R+ и обратном R– направлениях и построить графики и .
4) По результатам и графикам написать выводы.
Литература
Трофимова Т.И. Курс физики. Учебное пособие для вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2004.
Ссылка на первоисточник:
https://www.usla.ru
